企業(yè)在評(píng)估園藝照明的光源時(shí)，會(huì)面臨多個(gè)考慮，包括：光強(qiáng)度、光譜、光分布均勻性、能源效率和燈具壽命。園藝照明系統(tǒng)可以將電能轉(zhuǎn)換為用于植物生長(zhǎng)發(fā)育、促進(jìn)光合作用的光，而基于LED的光源可以為應(yīng)用提供調(diào)諧頻譜。
然而，確定這種固態(tài)照明(SSL)系統(tǒng)的效率或效能是一個(gè)挑戰(zhàn)。影響照明系統(tǒng)整體效率的因素有幾個(gè)。本文討論照明設(shè)備的設(shè)計(jì)將如何影響能源效率，以及能源效率如何反過來影響受控植物生長(zhǎng)環(huán)境的整體盈利能力。
事實(shí)上，園藝燈具將電能轉(zhuǎn)換成可用光供植物生長(zhǎng)的效力對(duì)受控環(huán)境農(nóng)業(yè)(CEA)能否成功至關(guān)重要。圖1為受控環(huán)境農(nóng)業(yè)(CEA)的一個(gè)垂直農(nóng)場(chǎng)范例。
圖1
將照明解決方案安裝在離農(nóng)作物冠層幾英寸以內(nèi)是垂直農(nóng)業(yè)應(yīng)用的突破。 與設(shè)計(jì)不佳的LED解決方案和其他照明技術(shù)(如HPS和熒光燈)相比，正確設(shè)計(jì)的LED解決方案可實(shí)現(xiàn)每平方英尺更高的產(chǎn)量。
園藝的相關(guān)指標(biāo)
植物主要利用波長(zhǎng)在400-700nm的可見光進(jìn)行光合作用(圖2)，因此，此區(qū)段通常也被稱為光合成有效輻射(PAR)。光合光子通量(PPF)測(cè)量照明系統(tǒng)每秒產(chǎn)生的PAR總量。測(cè)量時(shí)，使用積分球，用于捕獲并測(cè)量照明系統(tǒng)發(fā)射的幾乎所有光子。PPF的單位為每秒每平方米光子的摩爾數(shù)(μmol/s)。
圖2 植物對(duì)光合有效輻射(PAR)的平均響應(yīng)
光合光子通量密度(PPFD)測(cè)量到達(dá)植物冠層的PAR量。PPFD表示單位時(shí)間面積上在可見光波長(zhǎng)范圍的光量子數(shù),單位為μmol/m2/s。 PPFD 也表示光量子的數(shù)量與光合作用間的相關(guān)性。
最后，我們討論光子功效。光子功效指園藝照明系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換為PAR光子的效率。如果光的PPF與輸入功率都已知的情況，就可以輕松計(jì)算園藝照明系統(tǒng)的光子功效。給定PPF的單位為μmol/ s，測(cè)量瓦特的單位是每秒焦耳(J/s)，分子和分母中的秒數(shù)消除，得到的單位為μmol/ J，這個(gè)單位就用于表示功效。這個(gè)數(shù)字越高，就表示照明系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換成PAR光子就越有效。
園藝照明的常見方法
接下來，我們要了解燈具設(shè)計(jì)的細(xì)微差別，以及園藝照明系統(tǒng)節(jié)能的原因。世界上最常用的園藝照明系統(tǒng)是基于高強(qiáng)度放電(HID)照明和高壓鈉燈(HPS)。高壓鈉燈本來不是專門設(shè)計(jì)用于種植植物的，是設(shè)計(jì)給輕軌和停車庫(kù)。但是，現(xiàn)成可用性和高輸出水平導(dǎo)致被廣泛應(yīng)用于園藝，原因是它們提供非常高的光強(qiáng)度，大部分發(fā)射的光在565-700 nm范圍內(nèi)，這一有效的波段可以加速光合作用。
使用高壓鈉燈進(jìn)行園藝照明的一個(gè)缺點(diǎn)是產(chǎn)生大量的輻射熱。高壓鈉燈的表面溫度可以達(dá)到高于800°F的溫度(約430 ℃)，因此植物冠層和高壓鈉燈之間必須有足夠的距離，以避免損壞植物組織。增加燈具的安裝高度時(shí)，反平方定律開始起作用，這可以降低照明率。隨著時(shí)間的推移，高壓鈉燈的能量效率增加，而雙端HPS燈具的出現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)1.7μmol/J的光子效能。
轉(zhuǎn)向LED
我們回顧一下LED在園藝照明使用的過程。在2014年，效率最高的LED園藝照明系統(tǒng)與雙端高壓鈉燈效率一樣。與高壓鈉燈相比，LED的使用壽命長(zhǎng)(L70≥50,000小時(shí))令許多種植者轉(zhuǎn)而使用LED。然而，與高壓鈉燈相比，LED園藝照明系統(tǒng)的成本相對(duì)較高，限制了向LED燈的過渡。
LED芯片制造商在過去幾年中已經(jīng)提高了目前已有組件的功效，使得他們能夠顯著提高光子效能，并且每年都會(huì)持續(xù)改進(jìn)。事實(shí)上，基于LED的園藝照明系統(tǒng)現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)比雙端高壓鈉燈大45%的光子效率。雖然單個(gè)組件的效率提高了LED園藝照明的效率，但它也只是LED超過高壓鈉燈技術(shù)的一個(gè)變量。
LED系統(tǒng)熱量
談到LED照明產(chǎn)生的熱量時(shí)，有一個(gè)常見的誤解。許多種植者認(rèn)為L(zhǎng)ED比高壓鈉燈產(chǎn)生的熱量更少，這在LED燈具以較低瓦數(shù)驅(qū)動(dòng)時(shí)才是真的。如果有一個(gè)600W LED燈具和一個(gè)600W雙端高壓鈉燈，從宏觀角度來看，它們產(chǎn)生的熱量在相同的大致范圍內(nèi)。
LED和高壓鈉燈的主要區(qū)別在于這兩個(gè)600W產(chǎn)生的PAR能量有多少，熱量如何從燈具中散發(fā)的。來自高壓納氣燈的大多數(shù)熱量向下輻射到作物冠層，而LED的大部分熱量是在部件與印刷電路板(PCB)的連接部位產(chǎn)生的，熱量通常被傳導(dǎo)到PCB，也可能是散熱片，并通過向上對(duì)流去除。
因此，LED作為園藝照明系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是可以放置在植物附近而又可以讓植物免于熱輻射的損害。但是，假如熱量沒有通過適當(dāng)?shù)臒峁芾硐到y(tǒng)從PCB中有效去除的話，則LED組件的壽命將明顯縮減。
在商業(yè)園藝環(huán)境中冷卻照明系統(tǒng)有兩種方法。被動(dòng)冷卻的燈具利用散熱片從電路板散發(fā)熱量，而主動(dòng)冷卻的燈具依靠風(fēng)扇或水來散熱。用于冷卻燈具的風(fēng)扇會(huì)消耗能量，并會(huì)降低燈具的整體光子效能。另外，如果在燈具運(yùn)行期間風(fēng)扇出現(xiàn)故障，PCB上的LED可能會(huì)過熱并燒壞。即使它們沒有發(fā)生災(zāi)難性的故障，降低的功率輸出將大大降低LED燈具的使用壽命。這是種植者在比較園藝照明系統(tǒng)時(shí)需要考慮的一個(gè)非常重要的因素。
頻譜和功效
影響園藝照明系統(tǒng)光子功效的另一個(gè)重要因素是發(fā)光的光譜。用于園藝照明系統(tǒng)的最有效波長(zhǎng)是紅色(660nm)和藍(lán)色(450nm)。傳統(tǒng)的LED園藝照明技術(shù)主要使用紅色帶較小比例的藍(lán)色LED來實(shí)現(xiàn)最高的光子效能。
雖然紅色LED具有最高的光子效能，但是植物在窄帶波長(zhǎng)下本身并沒有生長(zhǎng)。因此，在優(yōu)化植物生長(zhǎng)和發(fā)育方面，單一的紅色LED不會(huì)產(chǎn)生最有效的光譜。與補(bǔ)充溫室照明(圖3)相比，在垂直農(nóng)場(chǎng)中使用單一源照明的情況尤其如此。
圖3
惡劣和骯臟的環(huán)境(如溫室)可能會(huì)迅速導(dǎo)致主動(dòng)冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障，從而導(dǎo)致整個(gè)照明系統(tǒng)出現(xiàn)故障。除了提高能源效率之外，被動(dòng)冷卻系統(tǒng)不需要容易斷裂和堵塞的運(yùn)動(dòng)部件。
多家園藝照明廠商根據(jù)葉綠素a和b的吸收峰而宣稱其產(chǎn)品有“特殊光譜”。但是，他們沒有提到這些葉綠素顏料是從植物葉中提取并在體外測(cè)量的。光質(zhì)量對(duì) 光合作用的作用光譜(圖2)是由McCree和Inada在20世紀(jì)70年代進(jìn)行研究時(shí)提出的。研究顯示光合作用速率與葉綠素a和b的作用光譜之間有相關(guān)性，但它們并不是光合作用的唯一波長(zhǎng)。在這項(xiàng)研究之前，存在一個(gè)常見的誤解：認(rèn)為葉綠素主要吸收可見光譜中的紅色和藍(lán)色部分，所以植物光合作用不使用綠光。
McCree和Inada進(jìn)行的研究是理解光譜光質(zhì)量對(duì)光合作用的影響的基礎(chǔ);但是，他們是基于低光強(qiáng)度下單葉測(cè)量光合作用而研究出了作用光譜。在過去30年中，對(duì)于光照強(qiáng)度較高下植物光合作用的研究有多次，表明光譜質(zhì)量對(duì)生長(zhǎng)速度的影響遠(yuǎn)小于光照強(qiáng)度。
光譜光質(zhì)量對(duì)植物發(fā)育影響很大，如：種子發(fā)芽、莖伸長(zhǎng)和開花以及次級(jí)代謝物和類黃酮，其影響植物的味道、外觀和氣味。因此，LED制造商需要在使用最具電效率的LED和種植者所希望的能促進(jìn)植物最佳生長(zhǎng)和發(fā)育習(xí)慣的LED之間找到平衡。
外形因素和光束控制
我們最后討論的一個(gè)主題與燈具的外形、束流光學(xué)和光強(qiáng)度有關(guān)?？紤]園藝照明系統(tǒng)的整體效率時(shí)，需要考慮PPFD和CU。但是，雖然燈具本身的光子功效對(duì)于園藝照明來說非常重要，但是如果在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生的光沒有均勻有效地照在作物上，那么該方案真正的能源效率將大大降低。
因?yàn)槊總€(gè)高壓鈉燈只有一個(gè)光源(360°燈泡)，所以需要依靠反射器將光均勻地散布在作物的冠層上。LED超過高壓納氣燈的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是LED有數(shù)百個(gè)光源能通過定制的束流光學(xué)形成非常均勻的光帶，無需使用反射器。圖4描繪了典型的LED光引擎。
圖4
從園藝照明系統(tǒng)發(fā)出的光的光譜(即顏色)對(duì)能源效率和整體植物的生長(zhǎng)發(fā)育都有顯著的影響。雖然紅色和藍(lán)色光效能更高，但是用圖片中的光引擎實(shí)現(xiàn)的廣譜可針對(duì)更多的光感受器來改善培養(yǎng)。
當(dāng)適當(dāng)設(shè)計(jì)后，這種形式的靈活性就讓具有非常高CU的照明方案非常有優(yōu)勢(shì)，所產(chǎn)生的大部分光落在植物冠層上，而不會(huì)浪費(fèi)在通道或墻壁上。這對(duì)于種植者在選擇園藝照明系統(tǒng)時(shí)是至關(guān)重要的。
小貼士
并不是所有的LED照明系統(tǒng)都是一樣的，所以對(duì)于種植者來說，從制造商那里獲得照明設(shè)計(jì)十分重要，這些設(shè)計(jì)會(huì)顯示在規(guī)定的安裝高度時(shí)的平均PPFD以及在植物生長(zhǎng)室的光分布模式。園藝照明系統(tǒng)的外形因素和光分布將影響所需燈具的數(shù)量，這是影響植物生長(zhǎng)室整體能源效率的另一個(gè)因素。
園藝照明系統(tǒng)的能源效率取決于幾個(gè)因素，而不僅僅是一個(gè)因素。使用正確的測(cè)量方法，了解影響園藝照明系統(tǒng)能源效率的幾個(gè)因素將影響植物生長(zhǎng)室的整體盈利能力。
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